從人物到細節 引力波背后最完整的內幕故事

2016-02-17 13:57:45 來(lái)源:百度百家

  黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波向四周傳播,旅途中隨著(zhù)距離衰減。在地球上,恐龍崛起,演化,消亡。引力波繼續前進(jìn),大概五萬(wàn)年前,引力波到達了我們的銀河系,正當智人開(kāi)始取代其近親尼安德特人開(kāi)始成為地球上最主要的人猿。100年前,愛(ài)因斯坦,靈長(cháng)類(lèi)物種中進(jìn)化的最先進(jìn)的人類(lèi)的一員,預言了引力波的存在,激發(fā)了數十年的猜測和無(wú)果的尋找。20年前,一個(gè)巨大的探測器開(kāi)始建設:the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。終于,在2015年的9月14號,在中午11點(diǎn)(中歐時(shí)間)前,引力波到達了地球。Marco Drago,一位32歲的意大利籍博士后學(xué)生,全球LIGO科學(xué)合作組織的成員,成為第一個(gè)注意到它們的人。Marco當時(shí)坐在位于德國Hannover阿爾伯特 愛(ài)因斯坦研究所他自己的電腦前,遠程觀(guān)看LIGO的數據。引力波出現在他的屏幕上,就像一個(gè)被壓縮了的曲線(xiàn),不過(guò)LIGO裝置著(zhù)全宇宙最精致的耳朵,可以聽(tīng)到千億分之一英尺的振動(dòng),應該仿佛聽(tīng)到了被天文學(xué)家稱(chēng)為「蛐蛐叫」的聲音 —— 一聲微弱的由低到高的呼叫。一年之后,在華府的新聞發(fā)布會(huì )上,LIGO團隊正式宣布那個(gè)信號即為歷史上第一個(gè)直接觀(guān)測到的引力波。

  當Drago看到信號時(shí),他驚呆了?!府敃r(shí)很難決定該做什么,」他后來(lái)告訴我。他通知了一個(gè)同事,同事冷靜的通知了位于Livingston,路易斯安那州的LIGO控制中心。消息開(kāi)始在上千個(gè)參與這個(gè)項目的科學(xué)家中傳播開(kāi)來(lái)。在加州,David Reitze,LIGO實(shí)驗室的執行總監,剛送走了女兒去學(xué)校,來(lái)到了他的加州理工辦公室,馬上就被各種消息淹沒(méi)了?!肝也挥浀卯敃r(shí)具體說(shuō)了什么了,」他告訴我說(shuō)?!复笾碌姆磻?,『天哪,這是個(gè)什么東西?』」。Vicky Kalogera,西北大學(xué)的物理與天文學(xué)教授,當時(shí)開(kāi)了一天的會(huì ),直到晚餐時(shí)才聽(tīng)到消息?!肝依瞎埼野巡妥啦贾煤?,」她說(shuō),「可是我完全不理他,只顧著(zhù)瀏覽一大堆古怪的電子郵件并自問(wèn),到底發(fā)生了什么事?」Rainer Weiss,已經(jīng)83歲高齡物理學(xué)家,是早在1972年LIGO項目的最初提出者,當時(shí)正在緬因州度假。他登陸到系統上,看到了信號,然后大叫道:「我的上帝啊!」,音量如此大驚的他的妻子和成年兒子跑過(guò)來(lái)看他。

  合作研究人員立即開(kāi)始了非常細致繁重的兩遍,三遍,四遍的數據確認?!肝覀冋f(shuō)我們做了約質(zhì)子直徑千分之一大小的尺度的測量,向我們講述著(zhù)兩個(gè)黑洞在10億年前的合并,」Reitze說(shuō)道?!高@可是一個(gè)非同尋常的宣布,需要非同尋常的證據支撐?!古c此同時(shí),LIGO科學(xué)家們被要求宣誓保守秘密。隨著(zhù)這一發(fā)現的傳言散布開(kāi)來(lái),從9月份末持續到最近一個(gè)星期,媒體的激動(dòng)進(jìn)入了尖峰狀態(tài);也開(kāi)始有關(guān)于諾貝爾獎的議論。不過(guò)所有的合作者給外界任何詢(xún)問(wèn)這件事的任何人一個(gè)統一的簡(jiǎn)單的答復——他們仍然在分析數據,還沒(méi)到發(fā)表結果的時(shí)候。Kalogera甚至連自己的丈夫都沒(méi)告訴。

  LIGO由兩個(gè)設施組成,相隔1900英里——大約坐飛機需要3個(gè)半小時(shí),不過(guò)對于引力波只需要萬(wàn)分之一秒就能到達。位于路易斯安那的探測器,位于Baton Rouge東部的濕地,周?chē)h(huán)繞著(zhù)商業(yè)松樹(shù)林;另一個(gè)位于華盛頓州的探測器,在全美核廢料數量最多的核設施的西南部,位于沙漠灌木蒿,風(fēng)滾草,和廢棄的核反應堆之間。在每一處設施,都有兩個(gè)12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向遠方,從高空看上去像是木工的矩一樣。管道是如此之長(cháng),將近2.5英里,他們需要在尾端從地面升起近1碼,來(lái)確保管道自身的直線(xiàn)性,與地球表面自身的彎曲分離。

  LIGO是更廣泛的找尋愛(ài)因斯坦廣義相對論難以測量的效應的工作的一部分。這一理論,簡(jiǎn)單的說(shuō),聲稱(chēng)時(shí)間和空間會(huì )在質(zhì)量面前被彎曲,時(shí)空彎曲的效應就是我們日常感受的引力。當兩個(gè)黑洞彼此圍繞,它們把周?chē)臅r(shí)空伸展和壓縮,就像孩子們在蹦床上跑來(lái)跑去,生成可以傳播到周邊的振動(dòng);這些振動(dòng)就是引力波。引力波經(jīng)常路過(guò)我們身邊,來(lái)自宇宙中各種源頭,但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——電磁作用,比方說(shuō),也就是束縛原子的作用——以致于我們幾乎從來(lái)感覺(jué)不到它們。愛(ài)因斯坦曾認為引力波可能永遠都不會(huì )被探測到。他甚至兩次宣布引力波不存在,然后一次再一次的修正他自己的預測。當時(shí)一個(gè)懷疑者曾經(jīng)評論說(shuō)引力波好像是靠著(zhù)「思維的速度在傳遞」。

  從理論提出開(kāi)始,過(guò)了50年才有人開(kāi)始建造可以檢測引力波的設備。第一個(gè)嘗試這么做的人是一位馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授,名叫Joe Weber。他把自己的設備命名為「諧振條天線(xiàn)」。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當作鈴鐺,放大微弱的引力波。當引力波撞到圓柱體,圓柱體會(huì )輕微的振動(dòng),圓珠周?chē)膫鞲衅鲿?huì )把這種振動(dòng)轉化為電信號。為了確保他測量到的不是周?chē)?jīng)過(guò)的卡車(chē)或者輕微地震的振動(dòng),Weber發(fā)明了一些保護措施:他將他的條懸置在真空中,他使用了兩個(gè)諧振條,位于不同的地點(diǎn),一個(gè)在馬里蘭大學(xué)的校園,另一個(gè)在芝加哥附近的Argonne國家實(shí)驗室。如果兩個(gè)諧振條在微小時(shí)間間隔中產(chǎn)生同樣的振動(dòng),他認為就是可能是引力波造成的。

  1969年6月份,Weber 宣布了他的諧振條記錄了引力波事件。物理學(xué)家和媒體都很激動(dòng),《紐約時(shí)報》這樣報道:「人類(lèi)對宇宙的觀(guān)測又一新篇章被翻開(kāi)了?!购芸?,Weber 開(kāi)始報道每日都有信號記錄。 不過(guò)其他的實(shí)驗室都沒(méi)有產(chǎn)生與他的結果類(lèi)似的觀(guān)察,對他的懷疑開(kāi)始擴散。到了1974年,很多人都下結論Weber的結果有錯誤。(Weber持續宣稱(chēng)有新的探測結果,直到他2000年去世為止。)

標簽: 引力波 內幕 細節

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